環(huán)氧樹脂材料在鐵路電力設(shè)備中的絕緣應用

周俊

摘 要：絕緣技術(shù)對于提高電力設(shè)備的安全性能具有重要意義;而絕緣技術(shù)的好壞往往取決于所采用的絕緣材料，環(huán)氧樹脂材料憑借其優(yōu)異的絕緣新能被廣泛的應用于各種電力設(shè)備中。針對環(huán)氧樹脂材料進行了分析，且探討了環(huán)氧樹脂材料在鐵路電力設(shè)備中的絕緣應用。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂材料;鐵路電力系統(tǒng);鐵路電力設(shè)備;絕緣性能

中圖分類號：TQ323.5 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0069-05

我國鐵路電力系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)到達一個相當高的水平，尤其是近年來一些新型材料應用，以及一些新型電力設(shè)備的引進，使得我國的鐵路電力系統(tǒng)日趨完善。絕緣材料的研究和開發(fā)與電力工業(yè)的發(fā)展和進步息息相關(guān)。一般來說，絕緣材料的應用總體可以分為3類，即氣體、液體、固體絕緣材料。在現(xiàn)有的固體絕緣材料中，絕緣方式主要包括了絕緣膠、絕緣漆、絕緣纖維等多種技術(shù)，環(huán)氧樹脂正是基于這種背景下產(chǎn)生的一種新型絕緣技術(shù)[1]。環(huán)氧樹脂材料的應用，對于絕緣技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導作用。

1 環(huán)氧樹脂的簡介

絕緣材料的應用歷史十分悠久，早在20世紀初期，就有許多歐洲國家開始研究絕緣材料了，那時的主要原材料就是高壓定子線圈，緊隨其后美國等國家開始加入絕緣材料的研究，使得這一時期出現(xiàn)了許多種類的絕緣材料。而我國開始研究絕緣技術(shù)已經(jīng)到了20世紀六七十年代了，研究人員利用酸性聚酯合成了絕緣材料，這些絕緣材料的成功研制打響了我國材料發(fā)展史上的第一槍，自此之后我國相繼開發(fā)出了許多的絕緣性技術(shù)[2]。環(huán)氧樹脂正是在科研人員不斷的試驗研究中產(chǎn)生的一種絕緣材料，它的應用對于電力行業(yè)的發(fā)展具有重要的推動作用。

1.1 環(huán)氧樹脂的定義及分類

一個或兩個以上的環(huán)氧基團組成的，將脂環(huán)族、脂肪族、芳香族化合物作為主要骨架，再經(jīng)過環(huán)氧基團發(fā)生反應而產(chǎn)生的熱固性高分子聚合物即為環(huán)氧樹脂，這一類的高分子聚合物常被稱作環(huán)氧化合物。

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，以及化學工業(yè)的日益進步，環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)也變得越來越復雜，其組合方式和構(gòu)成也變得越來越繁瑣。現(xiàn)階段根據(jù)環(huán)氧樹脂材料的組成方式，我們可以將其分為縮水甘油醚類，縮水甘油酯類以及脂肪族環(huán)氧化合物等等。根據(jù)目前的工作方法，又可以將其分為固態(tài)環(huán)氧樹脂類和液態(tài)環(huán)氧樹脂類兩種。

1.2 環(huán)氧樹脂的應用分析

根據(jù)目前環(huán)氧樹脂在各個領(lǐng)域的應用情況來看，環(huán)氧樹脂材料在其應用過程中具有良好的粘接性能，較為科學的固化過程，以及較高的耐久性和耐熱性等特點。此外，環(huán)氧樹脂材料還具有較高的抗機械強度、抗腐蝕性能[3]，環(huán)氧樹脂材料的這些優(yōu)良性能可以很好的滿足不同種類，不同要求的高壓配線的施工要求，而且其管理和設(shè)計工作也引起了人們的高度重視。

2 鐵路電力工程概述

2.1 鐵路的級別分類

我國的鐵路一般分為三級，即Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級[4]。這種分類主要是依據(jù)具體路線在路網(wǎng)中的作用，以及遠期年客運貨運量來衡定的。鐵路的等級和鐵路電力工程的標準是相互匹配的，鐵路電力工程的設(shè)計依據(jù)主要包括：通信負荷和與鐵路密切相關(guān)的信號，通常按照復線鐵路、單線鐵路以及高速鐵路進行設(shè)計。

2.2 鐵路電力工程的內(nèi)容

鐵路電力工程的主要內(nèi)容：10 kV自閉線路，10 kV配電所、10 kV貫通路線、10/0.4 kV變電所、10 kV電源線路、10/0.4/0.23 kV架桿式變電臺、10/0.4 kV箱式變電站、站場照明、隧道照明、室內(nèi)動力及照明、電力遠動系統(tǒng)[5]。

沿線路通信、信號、紅外軸溫探測等負荷的供電由10 kV貫通、自閉線路提供。10 kV配電所不僅要向所在站內(nèi)的用電負荷供電。還要向相鄰的兩個10 kV配電所的10 kV貫通線路和10 kV自閉線路供電。10 kV電源線路主要為鐵路10 kV配電所供電，是地方公共電網(wǎng)所接引的電源線路。10/0.4 kV變電所通常設(shè)置在大型廠房、站房內(nèi)沒有人值班的變電所，主要為廠房及站房的照明和電力提供電源。一般情況下10/0.4 kV箱式變電站都應用在高等級的鐵路上，為沿線分散信號和通信等負荷提供電源，通常會設(shè)置在鐵路沿線的區(qū)間上，其10 kV電源由10 kV自閉/貫通線路接引。10/0.4/0.23 kV桿架式變電臺，通常應用在雙線或單線普速鐵路上，主要為沿線及站場的負荷供電。站場照明，根據(jù)站場的規(guī)模安裝燈塔、燈橋、燈柱等為站場提供照明。室內(nèi)動力及照明，按照各個單體建筑的性質(zhì)，為建筑室內(nèi)提供照明和動力。隧道照明。按照高速鐵路和普速鐵路的要求，在隧道里面安裝照明。電力遠動系統(tǒng)，近年來，鐵路電力遠動技術(shù)得到了很大的提高，新建的鐵路都設(shè)有電力遠動系統(tǒng)，在電力系統(tǒng)中納入鐵路電力設(shè)備，成功實現(xiàn)對電力設(shè)備的遙測、遙控、遙信、遙調(diào)功能。

2.3 鐵路電力工程的設(shè)計標準

通常情況下，鐵路電力工程的設(shè)計主要根據(jù)鐵路的性質(zhì)，設(shè)計標準有：

復線鐵路。采用電纜敷設(shè)和架空混合方式，設(shè)置1回10 kV電力貫通先和1回10 kV電力自閉線，鐵路配電所的設(shè)置與上面一致。

單線鐵路。通常情況下設(shè)置1回10 kV電力貫通線，并且采用電纜敷設(shè)和架空混合方式，根據(jù)鐵路電力設(shè)計規(guī)范的要求，通常情況下設(shè)40～60 km為宜，如果受到電源條件的限制，可以將其延長至70 km。然后在滿足這種供電距離的要求下，設(shè)置鐵路10 kV配電所，并且該配電所通常設(shè)置在車站，這樣便于維護和檢修。此外，給貫通線路和自閉線路供電的配電所的10 kV電源有一路設(shè)為專盤專線為宜。相鄰的兩個配電所電源應該相互獨立，并且其中的一個配電所的電源為兩路電源為宜。

高速鐵路。設(shè)置1回綜合負荷貫通線，以及1回kV一級負荷貫通線，利用全電纜沿路基預留的電纜槽敷設(shè)2回貫通線。鐵路配電所的配置與上面一致，但是配電所的電源通常都按照兩路10 kV電源設(shè)置[6]。

電化鐵路和非電化。針對非電化鐵路10 kV貫通線路或10 kV自閉線路通常采用架空線路形式;如果是電化鐵路，還需要增加電化各類所、供電亭，此外在跨越鐵路時，10 kV貫通線路或10 kV自閉線路采用電纜敷設(shè)形式。

2.4 主要設(shè)備選型和技術(shù)標準

外部電源工程。接引方式，外部電源工程包含為車站或10 kV配電所供電的引自地方公共電網(wǎng)的10 kV電源線路工程，通常使用電纜直埋敷設(shè)和架空線路混合方式。采用專盤專用與T接兩種接引方式。T接方式指的是由公共電力線路上接引，專盤專用則是由地方變電站10 kV饋出柜直接接引。電源線路的形式，架空線路使用鋼芯鋁線（LGJ型）混凝土電桿，絕緣子、橫擔及金具，電纜線通常使用三芯銅芯鎧裝（YJV22型）或鋁芯（YJLV22型）。施工單位的工作，施工單位施工前的主要工作是配合建設(shè)單位，根據(jù)設(shè)計文件提供電源接引方案，同時還要與當?shù)毓╇姽巨k理相關(guān)的手續(xù)，將接引方案確定下來。當確認方案后，參考施工圖施工單位需要完成線路路徑的測量，且線路路徑方案必須獲得當?shù)匾?guī)劃部門批準之后才能夠開展施工。變、配電所，新建鐵路的10 kV配電所通常按照有人值守和無人值班的方式來設(shè)計。10 kV配電所4個控制設(shè)備見圖1。

配電所需要按照2路電源設(shè)計，并且其主接線要使用單母線分段，兩路電源同時運行方式。使用調(diào)壓器對10 kV貫通線進行調(diào)壓后設(shè)置貫通母線供電，配電所要使用微機保護綜合自動化系統(tǒng)，同時提供遠動接口，以達到遠方監(jiān)控的目的。

高鐵調(diào)壓器使用SCZ9型Dyn11接線形式，同時調(diào)壓器后面使用中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，此外2回貫通母線段都要設(shè)置磁控電抗器補償裝置補償，普速鐵路通常使用SZ10型油浸式調(diào)壓器（圖3）。

2.5 配電所主要設(shè)備類型

新建的普速鐵路10 kV配電所，其高壓開關(guān)柜一般采用內(nèi)KYN28型開關(guān)柜，新建的高鐵10 kV配電所一般采用GIS開關(guān)柜方式，此外有載調(diào)壓器使用SCZ9型干式的不附帶外殼的調(diào)壓器，采用智能高頻開關(guān)電源直流電源，同時配置鉛酸免維護電池。配電所使用單元式微機保護裝置，及微機綜合自動化系統(tǒng)。

普速鐵路區(qū)間及站場一般采用架桿式變電臺來為用電負荷提供電源，但是當變壓器容量超過200 kVA或者部分重要的廠所會使用10/0.4 kV變電所、箱式變電站方式（圖4）。

箱式變電站、變電所的高壓部分一般使用SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜;而里面所選用的是SCB10系列的干式變壓器，采用可靠性、數(shù)據(jù)化高柜型的低壓開關(guān)柜，智能遠動箱式變電站、電力遠動變電所的所有高低壓開關(guān)都要設(shè)置電動操作機構(gòu)，同時通過集中設(shè)置好的RT裝置納入電力遠動系統(tǒng)。

箱式變電站內(nèi)的變壓器一般采用SCB10型環(huán)氧樹脂澆注干式電力變壓器，另外包含在遠動箱變的所有高低壓開關(guān)都能夠進行電動操作，便于遠方及本地操作。

3 環(huán)氧樹脂材料在鐵路電力設(shè)備中的應用

近些年來，使用環(huán)氧樹脂材料制成的絕緣件被廣泛的應用到了各種電力設(shè)備當中，常見的有用環(huán)氧樹脂制成的用在三相交流高壓開關(guān)設(shè)備上的套管、絕緣銅、支撐絕緣子以及觸頭盒等[7]（見圖6），這里簡單的分析了一下環(huán)氧樹脂材料制成的絕緣件在鐵路電力設(shè)備中的應用情況。

3.1 環(huán)氧樹脂絕緣件的制作

在有機絕緣材料中環(huán)氧樹脂具有許多突出的優(yōu)良特點，如粘附力強、內(nèi)聚力大、柔順性好，同時具有十分穩(wěn)定的耐化學腐蝕性能，優(yōu)良的熱固化性能。環(huán)氧樹脂材料通過澆注體系可以澆注制成各種固體材料，如自動環(huán)氧壓力凝膠制造工藝（APG工藝）。環(huán)氧樹脂材料制成的絕緣件具有耐電弧性強、機械強度高、表面光潔、致密性高、耐熱性能良好、耐寒性能良好等優(yōu)點，所以環(huán)氧樹脂在電力領(lǐng)域應用較為廣泛，能夠發(fā)揮支撐和絕緣的作用，表1為環(huán)氧樹脂制成的絕緣件之間的力學，電氣以及物理性能。

為了獲得更好的應用價值，環(huán)氧樹脂常與其他添加物一同使用，在選用是按照不同的用途來選擇不同的添加物，常見的添加物有：改性劑、固化劑、稀釋劑、填料以及其他的一些添加物。這里添加物中固化劑是必不可少的，因為不管是作涂料、粘接還是澆注材料都需要加入固化劑，否則環(huán)氧樹脂材料不能固化。環(huán)氧樹脂固化劑、改性劑、填料、稀釋劑等添加物會因為成品的不同用途、性能而有不同的使用要求。此外，產(chǎn)品制造中用到的原材料的質(zhì)量、模具、工藝溫度、壓力、固化時間等都會影響成品的質(zhì)量，所以通常制造單位都會制定嚴格遵守標準的工藝流程，保證絕緣件的質(zhì)量最佳。

3.2 環(huán)氧樹脂具遠見的擊穿機理

眾所周知，擊穿液體和氣體介質(zhì)的場強要低于擊穿固體介質(zhì)的場強，而環(huán)氧樹脂絕緣件顯然屬于固體介質(zhì)，因此其擊穿場強較大。此外擊穿固體介質(zhì)的場強會受到電壓作用時間長短的影響，通常來講，作用時間小于1 s時為電擊穿;而熱擊穿指的是電壓作用時間在一秒到幾小時之間的擊穿，當電壓作用時間大于幾小時時就是電化學擊穿[8]。從電壓作用時間可知這3種擊穿方式的擊穿過程不一樣，但是最后的結(jié)果都是使固體介質(zhì)產(chǎn)生永久性的破壞。研究人員對開關(guān)設(shè)備進行了工頻耐壓試驗，試驗過程中的試驗電壓有調(diào)壓器進行控制，并保持持續(xù)均勻地升壓，試驗發(fā)現(xiàn)只有在升壓后，在標準的耐受電壓下絕緣件一分鐘被擊穿，其他部位在整個升壓過程中都是被瞬時擊穿的，即電擊穿。環(huán)氧樹脂絕緣件在實際生活中經(jīng)常會碰到這種情況，這里以40.5 kV真空斷路器固封極柱作為研究對象，就這個現(xiàn)象進行具體分析。

固封極柱指的是將斷路器相關(guān)的導電零件與真空滅弧室一起嵌入到環(huán)氧樹脂或其他熱塑性材料的固體絕緣材料中形成極柱，使其成為一個獨立部件。固封極柱中用到的主要的絕緣材料有粘接劑、電力硅橡膠以及環(huán)氧樹脂等，將環(huán)氧樹脂、粘接劑、電力硅橡膠等包裹在真空滅弧室的外表面，形成極柱，并且保證真空滅弧室的性能不能喪失或者有多降低，同時保證其表面光滑平整，不能有降低力學性能和電氣性能的氣泡、氣孔、疏松、也不能有裂紋等缺陷。盡管在其生產(chǎn)過程中嚴格按照要求制作，但是固封極柱的成品的成功率還是沒有達到理想的狀態(tài)。此外，真空滅弧室還會受到損壞，生產(chǎn)固封極柱的造成的損失是相當大的。分析其中的原因，主要是因為極柱不能達到絕緣要求，從而造成廢品率較高。

根據(jù)高壓絕緣原理可知，固體介質(zhì)的電擊穿過程和氣體介質(zhì)電擊穿過程十分相似，其原理都是由于電力碰撞形成電子崩，介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)會被高強度的電子崩破壞，從而造成擊穿。固封極柱中所使用到的幾種絕緣材料，其多能承受的最高擊穿電壓都較高，也就是說材料的擊穿場強較高，尤其是環(huán)氧樹脂材料，其擊穿場強Eb≈20 kV/mm。但是對固定介質(zhì)絕緣性能影響非常大的是電場的均勻度。當絕緣卷內(nèi)部存在過強的電場，即使絕緣材料有足夠的絕緣裕度和厚度，同時也通過了出廠時的耐壓試驗和局部放電試驗，但是在其運行一段時間過后，絕緣極擊穿故障還是有可能出現(xiàn)的。如果有機絕緣內(nèi)部有對絕緣材料過強的場強存在時，就有可能發(fā)生錐孔效應，進而使絕緣材料逐漸被擊穿。而這種問題在早期階段是沒有辦法檢測出來的，無論是進行局部放電試驗還是工頻耐壓試驗都無法做到，針對這種隱患目前也沒有更好的檢測方法來排查，所以主要還是要靠優(yōu)化制造工藝來確保其質(zhì)量。所以，必須要用圓弧對固封極柱的上下線邊緣進行過渡，同時保證其半徑盡可能的大，以此來優(yōu)化其場強的分布。對于電力硅橡膠、環(huán)氧樹脂等固體介質(zhì)，固封極柱在制造過程中會因為面積與體積的大小差異，導致?lián)舸┢骗h(huán)被積累，進而使得其擊穿場強不同，體積或面積大時擊穿場強較低，所以在包封固化之前一定要將環(huán)氧樹脂等固體介質(zhì)在混料設(shè)備中進行均勻混合，提高場強作用在絕緣介質(zhì)中的分散性。

除此之外，由于固體介質(zhì)是非自恢復絕緣材料，因此在對固封極柱施加試驗電壓作用時，固體介質(zhì)內(nèi)部的損傷都會隨著作用次數(shù)的增加而累加，損傷會不斷擴大，進而導致極柱被擊穿。所以應該在設(shè)計之初就將極柱的絕緣余量盡可能地設(shè)置大一些，這樣就能夠在一定程度上減少試驗電壓對極柱的損傷。此外，如果極柱中不同介質(zhì)之間的粘接不夠好，會導致氣泡和氣隙的形成。當對極柱施加電壓作用時，因為氣泡或氣隙中的場強高于固體介質(zhì)中的場強，會使得氣泡或者氣隙中的擊穿場強遠遠低于固體介質(zhì)的擊穿場強。為了解決這種絕緣問題，就要防止氣泡或氣隙的形成，常用的方法有：采用優(yōu)良的澆注設(shè)備和原材料，確保固體介質(zhì)的絕緣性;對粘接表面進行處理，使其變成坑洼面或磨砂面，同時應用合理的粘結(jié)劑，對粘接界面進行有效粘接。

4 結(jié)語

環(huán)氧樹脂具有粘附力強、內(nèi)聚力大、熱固化性能優(yōu)良、耐化學腐蝕性能優(yōu)良等特點，是十分出色的有機絕緣材料。通過環(huán)氧樹脂澆注體系可以制成各種固體絕緣件，被廣泛的應用鐵路電力設(shè)備中。雖然環(huán)氧樹脂是絕佳的絕緣材料，但是在其制造過程中還是存在一些缺陷，目前我們，能夠做到的就是對環(huán)氧樹脂材料的制造工藝進行優(yōu)化，同時對電力設(shè)備中的電場進行優(yōu)化，使環(huán)氧樹脂的絕緣特性能夠發(fā)揮更大的作用，也使環(huán)氧樹脂絕絕緣材料在鐵路電力設(shè)備中的應用更加完善。

【參考文獻】

[1] 赫先，徐旭，饒保林.環(huán)氧樹脂固化物結(jié)構(gòu)與熱傳導性能的關(guān)系[J].絕緣材料，2009，42（2）：45-49.

[2] 陳總旻.環(huán)氧澆筑樹脂[J].環(huán)氧樹脂應用技術(shù)，1987（1）：5-9.

[3] 付東升，張康助，孫福林，等.電器灌注用環(huán)氧樹脂的研究進展[J].絕緣材料，2003（2）：3-8.

[4] 石耀勇，蘭婷.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)模擬仿真型研究[J].機電工程技術(shù)，2007（5）：132-136.

[5] 廖宇.高速鐵路電力供電系統(tǒng)的研究[J].西南民族大學學報（自然科學版），2008，34（3）：559-565.

[6] 陳立，陳勁草，高國強，等.高速鐵路電力貫通線并網(wǎng)技術(shù)研究[J].鐵道學報，2012，6（12）：7-12.

[7] 曹文斌.環(huán)氧樹脂絕緣件在電力設(shè)備中的應用[J].電氣制造，2009（12）：1-5.

[8] 羅志波，張躍庭.環(huán)氧樹脂在高壓電器絕緣件中的應用[J].山東化工，2011（5）：4-8.